DE1543747B2 - Process for the preparation of bisquaternary alkyl ammonium sulfate salts - Google Patents
Process for the preparation of bisquaternary alkyl ammonium sulfate saltsInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von bisquartären Alkylammoniumsulfatsalzen durch Umsetzung eines Dialkylsulfatesters, dessen Alkylgruppen 1 bis 8 C-Atome enthalten können, mit einem Trialkylamin, dessen Alkylgruppen 1 bis 8 Kohlenstoffatome enthalten können. Es ist bekannt, daß die Umsetzung zwischen einem Dialkylsulfatester und einem Trialkylamin zu einem quartären Ammoniumalkylsulfatsalz der allgemeinen Formel R3RZNOSO3R' führt, in der R und R' gleiche oder verschiedene Alkylreste sind. (Houben —Weyl, Methoden der organischen Chemie, Bd.XI/2 [1958], S. 592 bis 508, die deutsche Patentschrift 545 430 und die britische Patentschrift 509 542.) Die direkte Her- ; stellung eines bisquartären Ammoniumsulfatsalzes, (R3R'N)2SO4, worin Rund R' gleiche oder verschiedene Alkylreste sind,; aus einem: Dialkylsulfatester ^. und einem Trialkylamin ist dagegen unbekannt.The invention relates to a process for the preparation of bisquaternary alkyl ammonium sulfate salts by reacting a dialkyl sulfate ester, the alkyl groups of which can contain 1 to 8 carbon atoms, with a trialkylamine, the alkyl groups of which can contain 1 to 8 carbon atoms. It is known that the reaction between a dialkyl sulfate ester and a trialkylamine leads to a quaternary ammonium alkyl sulfate salt of the general formula R 3 RZNOSO 3 R ', in which R and R' are identical or different alkyl radicals. (Houben-Weyl, Methods of Organic Chemistry, Vol. XI / 2 [1958], pp. 592 to 508, German Patent 545 430 and British Patent 509 542.) The direct Her- ; formation of a bisquaternary ammonium sulfate salt, (R 3 R'N) 2 SO 4 , in which R 'are identical or different alkyl radicals; from a: dialkyl sulfate ester ^. and a trialkylamine, on the other hand, is unknown.
Die Aufgabe der Erfindung war es daher, ein Verfahren zur direkten Herstellung eines bisquartären Ammoniumsulfatsalzes aus einem Dialkylsulfatester und einem Trialkylamin zu finden. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man das Trialkylamin im stöchiometrischen Überschuß in einem inerten Lösungsmittel mit dem Dialkylsulfat entweder bei ! 100 bis 200" C unter einem Druck, bei dem die Verdampfung des Trialkylamins verhindert wird, oder in einer ersten Stufe bei 0 bis 5O0C unter Atmosphärendruck und anschließend in einer zweiten Stufe bei 50 bis 4000C unter einem Druck, bei dem die Verdampfung des Trialkylamins verhindert wird, innerhalb von 0,25 bis 3,0 Stunden umsetzt.The object of the invention was therefore to find a process for the direct production of a bisquaternary ammonium sulfate salt from a dialkyl sulfate ester and a trialkylamine. The process is characterized in that the trialkylamine in a stoichiometric excess in an inert solvent with the dialkyl sulfate is either ! 100 to 200 "C under a pressure at which the evaporation of the trialkylamine is prevented, or in a first stage at 0 to 50 0 C under atmospheric pressure and then in a second stage at 50 to 400 0 C under a pressure at which the Evaporation of the trialkylamine is prevented, reacts within 0.25 to 3.0 hours.
Nach der absatzweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden ein Dialkylsulfatester und ein Trialkylamin in ein Reaktionsgefäß, das unter Druck erhitzt werden kann, eingebracht. Diese Reaktionspartner werden dann bei der Umsetzung bei einer im wesentlichen konstanten Temperatur während 0,25 bis 3,0 Stunden gehalten, obgleich eine Reaktion von 0,5 bis 1,0 Stunden im allgemeinen ausreichend ist. Der Druck im Reaktionsgefäß wird so gehalten, daß eine Verdampfung des Amins bei der jeweiligen Reaktionstemperatur verhindert wird. Die Reaktionstemperatur kann im Bereich von 50 bis 400° C liegen, in Abhängigkeit von dem herzustellenden Produkt. Ein bevorzugter Temperaturbereich liegt bei 100 bis 200°Α Wenn das Molekulargewicht des gewünschten bisquartären Ammoniumsulfatsalzes ansteigt, müssen sowohl die Reaktionstemperatur als auch die Reaktionszeit erhöht werden. Beispielsweise kann die Umsetzung zwischen Dimethylsulfat und Trimethylamin bei einer tieferen Reaktionstemperatur und einer niedrigeren Reaktionsdauer ausgeführt werden als die Umsetzung zwischen Dipropylsulfat und Tripropylamin.According to the batch embodiment of the process of the invention, a dialkyl sulfate ester is used and a trialkylamine placed in a reaction vessel capable of being heated under pressure. These reactants are then reacted at a substantially constant temperature held for 0.25 to 3.0 hours, although a reaction of 0.5 to 1.0 hours is generally sufficient is. The pressure in the reaction vessel is maintained so that evaporation of the amine in the respective reaction temperature is prevented. The reaction temperature can range from 50 to 400 ° C, depending on the product to be manufactured. A preferred temperature range is at 100 to 200 ° Α When the molecular weight of the desired bisquaternary ammonium sulfate salt increases, Both the reaction temperature and the reaction time must be increased. For example the reaction between dimethyl sulfate and trimethylamine can take place at a lower reaction temperature and a shorter reaction time than the reaction between dipropyl sulfate and tripropylamine.
Bei erhöhten Temperaturen findet die Hydrolyse 'des Sulfatesters statt. Eine derartige Hydrolyse führt zur Erniedrigung der Produktausbeute und zur Verunreinigung des Endprodukts. Es wurde nun gefunden, daß man die Hydrolyse von Sulfatester, auf ein Minimum reduzieren kann, wenn eine quartäre Gruppe (—O—NR3R') bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur (0 bis 500C) gebildet wird. Nach der Bildung der ersten quartären Gruppe wird dann die Reaktionstemperatur erhöht, um die Bildung der zweiten quartären Gruppe zu bewirken. Diese erhöhte Temperatur liegt üblicherweise zwischen 50 und 400° C. Die Gesamtreaktionsdauer ist bei dieser Ausführungsform die gleiche (0,25 bis 3,0 Stunden), wie für die erste Ausführungsform beschrieben. Die Reaktionsdauer, welche dem Reaktionsteil bei niedriger Temperatur zugeordnet ist, ist üblicherweise niedriger als —: oder etwa gleich wie — die Dauer des Reaktionsabschnittes bei hoher Temperatur. The hydrolysis of the sulfate ester takes place at elevated temperatures. Such hydrolysis leads to a lowering of the product yield and to contamination of the end product. It has now been found that the hydrolysis of sulfate ester can be reduced to a minimum if a quaternary group (—O — NR 3 R ') is formed at a relatively low temperature (0 to 50 ° C.). After the formation of the first quaternary group, the reaction temperature is then increased to bring about the formation of the second quaternary group. This elevated temperature is usually between 50 and 400 ° C. The total reaction time in this embodiment is the same (0.25 to 3.0 hours) as described for the first embodiment. The reaction time assigned to the reaction portion at low temperature is usually less than -: or about the same as - the duration of the reaction portion at high temperature.
Das Verhältnis der Reaktionspartner ist nicht kritisch. Zur Steigerung der Reaktion oder der Reaktionsgeschwindigkeit und zur Verbesserung der Ausbeute wird jedoch im allgemeinen ein stöchiometrischer Überschuß an dem Trialkylamin in allen Ausführungsformen des hier beschriebenen Verfahrens gemäß der Erfindung angewandt. Optimale Ergebnisse werden erhalten, wenn der stöchiometrische Überschuß an Trialkylamin 10% übersteigt. Die Reaktion . findet im allgemeinen in einem Lösungsmittel, vor- ; zugsweise in Wasser, statt. Jedoch ist ein beliebiges inertes Lösungsmittel, in welchen sich die Reaktionspartner und das Produkt lösen, brauchbar. Bei dem ' Verfahren gemäß der Erfindung wird — nachdem die ■Reaktion bis zu einer wesentlichen Vervollständigung fortgeschritten ist — überschüssiges Amin aus der Reaktionsmasse: abgetrennt und gewonnen, üblicherweise für die Wiederverwendung als Reaktionspartner. Bei allen hier erörterten Ausführungsformen wird nach der Entfernung des überschüssigen Amins aus dem Reaktionsprodukt dieses üblicherweise zur Trockne verdampft oder zumindest durch Verdampfung konzentriert. Bei der kontinuierlichen Ausfuhrungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung werden Dialkylsulfatester und Trialkylamin einer auf einer Tempe- \ ratur zwischen 50 und 400° C gehaltenen Reaktions- j zone zugeführt. Der Druck in der Reaktionszone ist ausreichend, um die Verdampfung des Trialkylamins zu verhindern. Die Reaktionsteilnehmer werden der Reaktionszone in getrennten Strömen zugeführt. Die Größe der Reaktionszone und die Zuführungsgeschwindigkeiten werden so eingestellt, daß die Berührungszeit zwischen 0,25 und 3,0 Stunden gehal- \ ten wird. ' The ratio of the reactants is not critical. In order to increase the reaction or the reaction rate and to improve the yield, however, a stoichiometric excess of the trialkylamine is generally used in all embodiments of the process according to the invention described here. Optimal results are obtained when the stoichiometric excess of trialkylamine exceeds 10%. The reaction . generally found in a solvent; preferably in water instead. However, any inert solvent in which the reactants and product dissolve is useful. In the process according to the invention, after the reaction has progressed to substantial completion, excess amine from the reaction mass is : separated off and recovered, usually for reuse as a reactant. In all of the embodiments discussed here, after the excess amine has been removed from the reaction product, it is usually evaporated to dryness or at least concentrated by evaporation. In the continuous embodiment of the process according to the invention are fed dialkyl sulfate ester and trialkylamine a reaction zone j between 50 and 400 ° C maintained at a temperature-\ temperature. The pressure in the reaction zone is sufficient to prevent evaporation of the trialkylamine. The reactants are fed to the reaction zone in separate streams. The size of the reaction zone and the feed rates are adjusted so that the contact time is from 0.25 to 3.0 hours gehal- \ th. '
Gemäß der anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Dialkylsulfatester ; und Trialkylamin kontinuierlich einer ersten Reak- ' tionszone zugeführt. Die Reaktionspartner werdenAccording to the other embodiment of the process according to the invention, dialkyl sulfate esters; trialkylamine and continuously to a first reactor 'tion zone supplied. The reactants will be
in Form von getrennten Strömen eingebracht. Die Temperatur in dieser ersten Zone wird zwischen 0 und 50° C gehalten. Der Druck ist:· ausreichend hoch gehalten, um eine Verdampfung des Trialkylamins zu verhindern. ;In dieser iZone: wird ein Tetraalkylammoniumalkylsulfat erzeugt. !Eine ausreichende Berührungsdauer, wird vorgesehen, um eine, vollständige Umsetzung sicherzustellen. Das Reaktionsprodukt und das nichtumgesetzte: Amin werden dann kontinuierlich einer zweiten Reaktionszone zugeführt, in der eine Temperatur zwischen 50 und 400° C aufrechterhalten wird. Der Druck in dieser zweiten Zone wird so gehalten, daß eine Verdampfung des Trialkylamins bei der Reaktionstemperatur vermieden wird. Die gesamte Reaktionsdauer in beiden Zonen liegt zwischen 0,25 und 3,0 Stunden.1- Nach dem ■Verfahren gemäß der Erfindungikönrien viele bisquartäre Ammoniumsulfatsalze hergestellt werden. Salze, bei denen jede Alkylgruppe aus einem gesättigten aliphatischen Rest mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen besteht, werden bevorzugt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. ...-.■.·introduced in the form of separate streams. The temperature in this first zone is kept between 0 and 50 ° C. The pressure is: · Maintained sufficiently high to prevent evaporation of the trialkylamine. ; In this i zone: a tetraalkylammonium alkyl sulfate is produced. Sufficient contact time is provided to ensure complete implementation. The reaction product and the unreacted: amine are then continuously fed to a second reaction zone in which a temperature between 50 and 400 ° C. is maintained. The pressure in this second zone is maintained so that evaporation of the trialkylamine at the reaction temperature is avoided. The total reaction time in both zones is between 0.25 and 3.0 hours. 1 - Many bisquaternary ammonium sulfate salts can be produced by the process according to the invention. Salts in which each alkyl group consists of a saturated aliphatic radical having 1 to 4 carbon atoms are preferably prepared by the process according to the invention. ...-. ■. ·
Einige der nach dem Verfahren gemäß der Erfindung herstellbaren bisquartären Ammoniumsulfatsalze sind z. B. Bistetramethylammoniumsulfat, Bistriäthylmethylammoniumsulfat, Bistetraäthylammoniumsulfat, Bistrimethyläthylammoniumsulfat, ;, Bistetrapropylammoniumsulfat. : .Some of the bisquaternary ammonium sulfate salts which can be prepared by the process according to the invention are e.g. B. bistetramethylammonium sulfate, Bistriäthylmethylammoniumsulfat, Bisteraäthylammoniumsulfat, Bistrimethyläthylammoniumsulfat ; , Bistetrapropylammonium sulfate. : .
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.The following examples illustrate the invention.
; Beispiel 1 ■■■■'■ "■-·· ■ ; ; Example 1 ■■■■ '■ "■ - ·· ■ ;
Das Beispiel erläutert die absatzweise Herstellung von Tetramethylammoniumsulfat. 1 Mol (126,2 g) Dimethylsulfat wurde zu .4,00 Mol (236,4 g) Trimethylamin, gelöst in 551,6 g^ Wasser, gegeben. Die Lösungstemperatur wurde mit Hilfe eines Kühlbades bei etwa 5° C gehalten. Diese Lösung wurde nach vollständiger Umsetzung in eine Schüttelbombe übergeführt und auf etwa 180° C unter autogenem Druck (48,2 atü) erhitzt. Nach Abkühlung auf Zimmertemperatur wurde die Reaktionslösung aus der Schüttelbombe entfernt, überschüssiges Trimethylamin wurde durch Erhitzen der Reaktionslösung auf etwa 125° C bei atmosphärischem Druck entfernt.The example illustrates the batch production of tetramethylammonium sulfate. 1 mole (126.2 g) dimethyl sulfate was added to 4.00 moles (236.4 g) of trimethylamine dissolved in 551.6 g of water. The solution temperature was with the help of a cooling bath at about Maintained 5 ° C. After the reaction was complete, this solution was transferred to a shake bomb and heated to about 180 ° C under autogenous pressure (48.2 atü). After cooling to room temperature it was the reaction solution was removed from the shake bomb, excess trimethylamine was removed by heating the reaction solution removed to about 125 ° C at atmospheric pressure.
Die Ergebnisse und Bedingungen dieses Versuchs sind in der folgenden Tabelle I zusammengestellt.The results and conditions of this experiment are summarized in Table I below.
Beschickungfeed
Trimethylamin, g 236,4Trimethylamine, g 236.4
Trimethylamm, Lösungskonzentration, Volumprozent ..'..' 30Trimethylamm, solution concentration, volume percent .. '..' 30
Dimethylsulfat, g 126,2Dimethyl sulfate, g 126.2
Mol Amin/Mol Dimethylsulfat 4,0Moles of amine / mole of dimethyl sulfate 4.0
Arbeitsbedingungen
Erste Stufeworking conditions
First stage
Druck atmosphärisch Temperatur, °C 5Pressure atmospheric temperature, ° C 5
Zweite StufeSecond step
Druck, atü 48,2Pressure, atü 48.2
Temperatur, 0C 180Temperature, 0 C 180
Berührungsdauer, Std 1,5Contact time, 1.5 hours
• - Bistetramethylammoniumsulfat, g... 236,0• - bistetramethylammonium sulfate, g ... 236.0
Trimethylammoniumtetramethylammoniumsulfat, g 4,3Trimethylammonium tetramethylammonium sulfate, g 4.3
Tetramethylammoniummethylsulfat,Tetramethylammonium methyl sulfate,
Bistetrarnethylammoniumsulfat-Bistetrarnethylammonium sulfate
Äusbeute, bezogen auf Dimethyl-ΐ *'rsulfatgewicht:..:. 96,5 ~Äusbeute, based on dimethyl-ΐ * 'r sulphate weight: ..:. 96.5 ~
I Beispiel 2 ::^Λ?:>ιαν,-.-Λι I Example 2 :: ^ Λ?:> Ιαν, -.- Λι
1,99 Mol (251 g) Dimethylsulfat wurden langsam zu einer wäßrigen' Lösung von 'Trimethylamin; mit einer Konzentration von 25 Volumprozent gegeben. Während der Zugabe des Dimethylsulfat^,zu. .:.der Lösung wurde ständig gerührt und die Temperatur· auf 28 bis 30°C gehalten. Das Molverhältnis "von Amin zu Ester betrug etwa 2,5: T. Die Esterzugabe erfolgte während einer Dauer von einer Stunde. Das Reaktionsprodukt wurde dann kontinuierlich einem mit einem Wasserdampfmantel versehenen Reaktor zugeführt, der bei etwa 125° C und einem Druck von etwa 12,3 atü gehalten wurde. Die Berührungsdauer betrug 1 Stunde. Das Reaktionsprodukt würde'aus dem Reaktor entfernt und von überschüssigem Trimethylamin unter atmosphärischem Druck destilliert. In der nachstehenden Tabelle sind die Versuchsergebnisse zusammengestellt. ,.'.':,.,'.'... '.'...'. ·.·.: ...1.99 moles (251 g) of dimethyl sulfate were slowly added to an aqueous 'solution of'trimethylamine; given at a concentration of 25 percent by volume. During the addition of the dimethyl sulfate ^, to. . : The solution was constantly stirred and the temperature kept at 28 to 30 ° C. The "amine to ester molar ratio" was about 2.5: T. The ester was added over a period of one hour. The reaction product was then continuously fed to a steam jacketed reactor, which was operated at about 125.degree The contact time was 1 hour. The reaction product would be removed from the reactor and distilled from excess trimethylamine under atmospheric pressure. The following table summarizes the test results.,. '.':,., '.' ... '.'...'. ·. · .: ...
Tabellen' " ; ' ""Tables '";'""
Dimethylsulfat und 25,1 Volumprozent wäßriges Trimethylamin wurden kontinuierlich einem mit einem Wasserdampfmantel versehenen Reaktor, der bei etwa 125° C und einem Druck von etwa 12 atü gehalten wurde, zugeführt. Die Beschickungsgeschwindigkeiten wurden so eingestellt, daß ein Molverhältnis von 2,5 Mol Amin je Mol Ester erhalten wird.Dimethyl sulfate and 25.1 percent by volume aqueous trimethylamine were continuously one with a A steam-jacketed reactor kept at about 125 ° C and a pressure of about 12 atü was fed. The feed rates were adjusted so that a molar ratio of 2.5 moles of amine per mole of ester is obtained.
Dieser Versuch wurde zweimal bei Berührungszeiten von jeweils 0,5 und 1,0 Stunden ausgeführt, über-This experiment was carried out twice with contact times of 0.5 and 1.0 hours each, over-
schüssiges Amin wurde aus jedem Reaktionsprodukt entfernt. In der nachstehenden Tabelle III sind die Bedingungen und die jeweiligen Ergebnisse der beiden Versuche aufgeführt.excess amine was removed from each reaction product. In Table III below are the Conditions and the respective results of the two experiments are listed.
Ansteigen der Reaktionstemperatur auf über 15° C wurde vermieden. Die Sulfatzugabe erforderte 1 Stunde. Das Reaktionsprodukt wurde auf Raumtemperatur erwärmt. Dieses Produkt wurde dann kontinuierlich einem Hochdruckreaktor zugeführt. In der folgenden Tabelle sind die Bedingungen und die Ergebnisse dieses Versuchs zusammengestellt:The reaction temperature rises to above 15 ° C was avoided. The addition of sulfate took 1 hour. The reaction product was brought to room temperature warmed up. This product was then continuously fed to a high pressure reactor. The following table summarizes the conditions and results of this experiment:
•Tabelle IV-• Table IV-
Beispiel 4 £jje Erfinciung stellt ein neues und sehr wirksamesExample 4 £ jj e r fi nc i un g represents a new and very effective one
2 Mol (252 g) Dimethylsulfat wurden langsam zu Verfahren zur Herstellung von bisquartären Ammo-2 moles (252 g) of dimethyl sulfate were slowly becoming processes for the production of bisquaternary ammo
einer Mischung von 2000 ml Wasser und 505 g 35 niumsulfatsalzen aus leicht erhältlichen, billigen Aus-a mixture of 2000 ml of water and 505 g of 35 sodium sulfate salts from easily available, cheap ingredients
Triäthylamin, gekühlt auf etwa 100C, gegeben. Das gangsmaterialien zur Verfugung.Triethylamine, cooled to about 10 0 C, given. The gang materials are available.
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